Фундаментальные проблемы современного материаловедения,  2021,  том 18,  №4, 432-440

 

Ольга Андреевна Маслова1, Андрей Валерьевич Рябых2, Сергей Александрович Безносюк3†

К вопросу о протонной проницаемости графена и борофена в различных диэлектрических средах

1, 2, 3 Алтайский государственный университет, пр. Ленина, 61, 656049, Барнаул, Россия
1 Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript
2 Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript , https://orcid.org/0000-0003-3699-3932
3 Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript , https://orcid.org/0000-0002-4945-7197

В данной работе представлены результаты компьютерного моделирования состояния иона водорода H+ в гипотетических водных растворах с разной диэлектрической проницаемостью и симуляции прохождения свободного и гидратированного протона через мономерный нанослой графена и графеноподобного борофена. Расчеты проводили с использованием теории функционала плотности при помощи функционала обобщенного градиентного приближения BP86 и базисов группы Карлсруэ def2-SVPD и    def2-TZVP. В качестве способа описания растворителя применяли континуальную модель CPCM с диапазоном значений диэлектрической проницаемости ε = 1 … 80,4. Моделирование осуществляли на базе программного пакета Orca 5.0.1. В первой части статьи описывается состояние межмолекулярных взаимодействий комплексов ионов H+ c молекулами воды. Установлено, что из всех рассмотренных структур (H3O+, H5O2+, H7O3+ и H9O4+) в водном растворе наиболее стабильной структурой является ион гидроксония H3O+. Данный экспериментальный факт не зависит от диэлектрических свойств среды. Во второй части статьи описывается прохождение ионов H+ через мономерный нанослой графена и графеноподобного борофена. Показан механизм проницаемости протона от первой молекулы воды на одной стороне ко второй молекуле воды на противоположной стороне нанослоя. Потенциальный барьер прохождения иона водорода через нанослой графена оказался равен 1,63 эВ, а через нанослой борофена высота барьера составила 0,22 эВ. Показано, что во всех вышеуказанных случаев диэлектрическая проницаемость среды не оказывает существенного влияния на значение высоты барьера.

Ключевые слова: гидроксоний, графен, борофен, континуальный растворитель, диэлектрическая проницаемость, теория функционала плотности, физическая химия конденсированного состояния.

УДК 539.2; 536.77; 544.27

DOI: 10.25712/ASTU.1811-1416.2021.04.005


 

Fundamental’nye problemy sovremennogo materialovedenia

(Basic Problems of Material Science (BPMS)) Vol. 18, No.4 (2021) 432-440

 

Olga A. Maslova1, Andrey V. Ryabykh2, Sergey A. Beznosyuk3†

On the question of proton permeability of graphene and borophene in different dielectric medium

1, 2, 3 Altai State University, Lenin Pr., 61, Barnaul, 656049, Russia
1 Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript
2 Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript , https://orcid.org/0000-0003-3699-3932
3 Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript , https://orcid.org/0000-0002-4945-7197

This paper presents the results of computer simulation of the state of the hydrogen ion H+ in hypothetical aqueous solutions with different permittivities and simulation of the passage of a free and hydrated proton through a monomeric nanolayer of graphene and graphene-like borophene. The calculations were performed using the density functional theory using the functional of the generalized gradient approximation BP86 and the bases of the Karlsruhe group def2-SVPD and def2-TZVP. Continuous CPCM model with the range of dielectric constant ε = 1 ... 80.4 was used as a method for describing the solvent. Modeling was carried out using the Orca 5.0.1 software package. The first part of the article describes the state of intermolecular interactions of complexes of H+ ions with water molecules. It was found that of all the considered structures (H3O+, H5O2+, H7O3+, and H9O4+) in an aqueous solution, the most stable structure is the hydroxonium ion H3O+. This experimental fact does not depend on the dielectric properties of the medium. The second part of the article describes the passage of H+ ions through a monomeric nanolayer of graphene and graphene-like borophene. The mechanism of proton permeability from the first water molecule on one side to the second water molecule on the opposite side of the nanolayer is shown. The potential barrier for the passage of a hydrogen ion through the graphene nanolayer turned out to be 1.63 eV, and the barrier height through the borophene nanolayer was 0.22 eV. It is shown that in all the above cases, the dielectric constant of the medium does not significantly affect the value of the barrier height.

Keywords: hydronium, graphene, borophene, continuous solvent, dielectric constant, density functional theory, physical chemistry of the condensed state.